PODSTAWOWY PROJEKT ZASILACZA ANALOGOWEGO

Jest takie stare powiedzenie: „Możesz dać człowiekowi rybę i będzie jadł przez jeden dzień albo możesz nauczyć człowieka łowić ryby i będzie jadł wiecznie”. Istnieje wiele artykułów, które dają czytelnikowi konkretny projekt budowy zasilacza i nie ma nic złego w tych projektach książek kucharskich. Często mają bardzo dobre wyniki. Nie uczą jednak czytelnika samodzielnego projektowania zasilacza. Ten dwuczęściowy artykuł rozpocznie się od początku i wyjaśni każdy krok niezbędny do zbudowania podstawowego zasilacza analogowego. Projekt skoncentruje się na wszechobecnym regulatorze trójzaciskowym i będzie zawierał szereg ulepszeń podstawowego projektu.

Zawsze należy pamiętać, że zasilacz — albo dla konkretnego produktu, albo jako ogólny sprzęt testowy — może porazić użytkownika prądem, wywołać pożar lub zniszczyć zasilane urządzenie. Oczywiście nie są to dobre rzeczy. Z tego powodu bardzo ważne jest konserwatywne podejście do tego projektu. Zapewnij duży margines na komponenty. Dobrze zaprojektowany zasilacz to taki, którego nigdy nie zauważa się.

KONWERSJA MOCY WEJŚCIOWEJ

Rysunek 1 przedstawia podstawową konstrukcję typowego zasilacza analogowego. Składa się z trzech głównych elementów: konwersji i kondycjonowania mocy wejściowej; rektyfikacja i filtrowanie; i regulacji. Konwersja mocy wejściowej to zazwyczaj transformator mocy i jest to jedyna rozważana tutaj metoda. Należy jednak wspomnieć o kilku kwestiach.

RYSUNEK 1. Podstawowy zasilacz analogowy składa się z trzech części. Pierwsze dwa zostaną omówione w tym artykule, a ostatnie w następnej części.

---

Po pierwsze, 117 VAC (prąd przemienny woltów) to tak naprawdę pomiar RMS (średnia kwadratowa). (Zauważ, że widziałem zwykłą moc domową określoną w dowolnym miejscu od 110 VAC do 125 VAC. Właśnie zmierzyłem moją i stwierdziłem, że wynosi ona dokładnie 120.0 VAC.) Pomiar RMS fali sinusoidalnej jest znacznie niższy niż rzeczywiste napięcie szczytowe i reprezentuje równoważne napięcie DC (prąd stały) potrzebne do zapewnienia tej samej mocy.

Konwersja RMS różni się w zależności od kształtu fali; dla fali sinusoidalnej wartość wynosi 1.414. Oznacza to, że odchylenie wokół zera woltów wynosi w rzeczywistości 169.7 woltów (dla mojej mocy 120 VAC). Moc zmienia się od -169.7 woltów do +169.7 woltów w każdym cyklu. Dlatego napięcie międzyszczytowe wynosi w rzeczywistości 339.4 woltów!

To napięcie staje się szczególnie ważne podczas dodawania kondensatorów obejściowych do głównych linii zasilających w celu tłumienia szumów wchodzących lub wychodzących z zasilacza (powszechna sytuacja). Jeśli uważasz, że rzeczywiste napięcie wynosi 120 woltów, możesz użyć kondensatorów 150 woltowych. Jak widać, to nie jest poprawne. Absolutne minimalne bezpieczne napięcie robocze dla twoich kondensatorów wynosi 200 woltów (250 woltów jest lepsze). Nie zapominaj, że jeśli spodziewasz się szumów/skoków na linii, musisz dodać ten szum/napięcie skoków do napięcia szczytowego.

W USA częstotliwość wejściowa wynosi powszechnie 60 Hz. W Europie powszechna jest częstotliwość 50 Hz. Transformatory przystosowane do 60 Hz generalnie sprawdzą się dobrze na 50 Hz i na odwrót. Dodatkowo stabilność częstotliwości linii elektroenergetycznej jest zwykle doskonała i rzadko brana pod uwagę. Czasami dostępne są transformatory 400 Hz. Są to urządzenia typowo wojskowe lub lotnicze i generalnie nie nadają się do użytku z zasilaniem 50/60 Hz (lub odwrotnie).

Wyjście transformatora jest również określane jako napięcie RMS. Dodatkowo podane napięcie jest minimalnym napięciem oczekiwanym przy pełnym obciążeniu. Często występuje około 10% wzrost mocy znamionowej bez obciążenia. (Mój 25.2 V/dwuamperowy transformator mierzy 28.6 V bez obciążenia.) Oznacza to, że rzeczywiste napięcie wyjściowe bez obciążenia/szczytowe dla mojego 25.2 V transformatora wynosi 40.4 V! Jak widać, zawsze należy pamiętać, że znamionowe napięcia RMS dla zasilania AC są znacznie mniejsze niż rzeczywiste napięcia szczytowe.

Rysunek 2 przedstawia typowy projekt konwersji i kondycjonowania mocy wejściowej. Wolę używać przełącznika dwubiegunowego, chociaż nie jest to absolutnie konieczne. Chroni przed błędnie podłączonymi gniazdami elektrycznymi (co jest dziś rzadkością) lub błędnie podłączonymi przewodami zasilającymi w samym zasilaczu (znacznie częściej). Niezwykle ważne jest, aby po wyłączeniu zasilania gorący przewód był odłączony od zasilania.

RYSUNEK 2. Kondycjonowanie wejścia jest dość proste, ale należy pamiętać, że napięcie RMS nie jest takie samo jak napięcie szczytowe. Szczytowe napięcie 120 VAC RMS wynosi około 170 woltów.

---

Bezpiecznik (lub wyłącznik automatyczny) jest konieczny. Jego głównym celem jest zapobieganie pożarom, ponieważ bez niego transformator lub zwarcie w obwodzie pierwotnym umożliwi przepływ ogromnych prądów, powodując, że metalowe części stają się czerwone, a nawet białe. Zwykle jest to typ wolnoobrotowy o napięciu 250 woltów. Prąd znamionowy powinien być około dwa razy większy od tego, czego może oczekiwać transformator.

Na przykład wspomniany powyżej dwuamperowy transformator 25.2 V pobiera około 0.42 ampera prądu pierwotnego (25.2 wolta/120 woltów x dwa ampery). Tak więc bezpiecznik jednoamperowy jest rozsądny. Bezpiecznik w wtórnym zostanie omówiony w następnym artykule.

Kondensatory obejściowe pomagają odfiltrować szumy i są opcjonalne. Ponieważ napięcie szczytowe wynosi około 170 woltów, ocena 250 woltów jest lepsza niż marginalna ocena 200 woltów. Możesz użyć „filtra wejścia mocy”. Istnieje wiele rodzajów tych jednostek. Niektóre zawierają standardowe złącze zasilania, przełącznik, uchwyt bezpiecznika i filtr w jednym małym opakowaniu. Inne mogą mieć tylko niektóre z tych komponentów. Zazwyczaj te ze wszystkim są dość drogie, ale jednostki nadwyżki zazwyczaj można znaleźć w bardzo rozsądnych cenach.

Możliwość określenia, czy obwód pierwotny jest zasilany, jest ważna, dlatego stosuje się lampkę kontrolną. Pokazano dwa typowe obwody. Lampa neonowa jest używana od dziesięcioleci. To proste i niedrogie. Ma wady polegające na tym, że jest nieco kruchy (jest wykonany ze szkła); może migotać, jeśli rezystor jest za duży; i może faktycznie generować szum elektryczny (z powodu nagłego rozpadu jonów gazu neonowego).

Obwód LED wymaga również rezystora ograniczającego prąd. Przy 10,000 12 hms dostarczane jest około 20 mA prądu. Większość diod LED jest przystosowana do maksymalnego prądu 12 mA, więc 1 mA jest rozsądne. (Diody LED o wysokiej wydajności mogą działać zadowalająco przy zaledwie 2 lub XNUMX mA, więc rezystor można zwiększyć w razie potrzeby.)

Zauważ, że diody LED mają naprawdę słabe napięcia przebicia wstecznego (zwykle 10 do 20 woltów). Z tego powodu potrzebna jest druga dioda. Musi być w stanie działać przy co najmniej 170 woltach PIV (szczytowe napięcie odwrotne). Standardowy 1N4003 jest oceniany na 200 PIV, co nie zapewnia dużego marginesu. 1N4004 jest oceniany na 400 PIV i kosztuje być może pensa więcej. Umieszczając go w szeregu z diodą LED, całkowity PIV wynosi 400 plus dioda PIV.

REKTYFIKACJA I FILTROWANIE

Rysunki 3, 4 i 5 przedstawiają najbardziej typowe obwody prostownicze z przedstawionym powyżej przebiegiem wyjściowym. (Kondensator filtrujący nie jest pokazany, ponieważ po jego dodaniu kształt fali zmienia się na coś w rodzaju napięcia stałego). Przydatne jest zbadanie tych trzech podstawowych obwodów w celu zidentyfikowania ich mocnych i słabych stron.

Rysunek 3 przedstawia podstawowy prostownik półfalowy. Jedyną zaletą jest to, że jest bardzo prosty i wykorzystuje tylko jeden prostownik. Złą cechą jest to, że zużywa tylko połowę cyklu zasilania, co sprawia, że ​​teoretyczna wydajność obwodu jest mniejsza niż 50% na samym początku. Często zasilacze prostownikowe półfalowe mają tylko 30% sprawności. Ponieważ transformatory są drogimi elementami, ta nieefektywność jest bardzo kosztowna. Po drugie, kształt fali jest bardzo trudny do filtrowania. Przez połowę czasu transformator nie ma żadnego zasilania. Wygładzanie wyjścia wymaga bardzo dużych wartości pojemności. Jest rzadko używany do zasilania analogowego.

RYSUNEK 3. Obwód prostownika półfalowego jest prosty, ale wytwarza słaby przebieg wyjściowy, który jest bardzo trudny do filtrowania. Dodatkowo połowa mocy transformatora jest marnowana. (Zauważ, że kondensatory filtrujące zostały pominięte dla przejrzystości, ponieważ zmieniają kształt fali.)

---

Ciekawą i ważną rzeczą jest dodanie kondensatora filtrującego do obwodu prostownika półfalowego. Różnica napięcia bez obciążenia podwaja się. Dzieje się tak, ponieważ kondensator przechowuje energię z pierwszej połowy (dodatniej części) cyklu. Kiedy pojawia się druga połowa, kondensator utrzymuje dodatnie napięcie szczytowe, a ujemne napięcie szczytowe jest przykładane do drugiego zacisku, powodując, że kondensator, a przez to dioda, widzi pełne napięcie szczytowe. Tak więc dla transformatora 25.2 V powyżej rzeczywiste napięcie szczytowe widziane przez te elementy może wynosić ponad 80 woltów!

Rysunek 4 (obwód górny) jest przykładem typowego obwodu prostownika pełnofalowego/odczepu środkowego. Kiedy to jest używane, w większości przypadków prawdopodobnie nie powinno tak być. Zapewnia ładne wyjście, które jest w pełni wyprostowane. To sprawia, że ​​filtrowanie jest stosunkowo łatwe. Wykorzystuje tylko dwa prostowniki, więc jest dość niedrogi. Nie jest jednak bardziej wydajny niż układ półfalowy przedstawiony powyżej.

RYSUNEK 4. Konstrukcja pełnofalowa (u góry) zapewnia ładne wyjście. Przerysowując obwód (na dole), widać, że tak naprawdę są to tylko dwa połączone ze sobą prostowniki półfalowe. Ponownie marnowana jest połowa mocy transformatora.

---

Można to zobaczyć przerysowując obwód z dwoma transformatorami (rysunek 4 na dole). Kiedy to nastąpi, staje się jasne, że pełna fala to tak naprawdę tylko dwa połączone ze sobą obwody półfalowe. Połowa każdego cyklu zasilania transformatora nie jest wykorzystywana. Tak więc maksymalna teoretyczna sprawność wynosi 50%, a rzeczywista sprawność wynosi około 30%.

PIV obwodu jest połową obwodu półfalowego, ponieważ napięcie wejściowe diod jest połową napięcia wyjściowego transformatora. Środkowy zaczep dostarcza połowę napięcia na dwa końce uzwojeń transformatora. Tak więc, dla przykładu transformatora 25.2 V, PIV wynosi 35.6 V plus wzrost bez obciążenia, który jest o około 10% większy.

Na rysunku 5 przedstawiono obwód mostka prostowniczego, który generalnie powinien być pierwszym wyborem. Wyjście jest w pełni wyprostowane, więc filtrowanie jest dość łatwe. Co jednak najważniejsze, wykorzystuje obie połowy cyklu zasilania. Jest to najbardziej wydajna konstrukcja i pozwala w pełni wykorzystać drogi transformator. Dodanie dwóch diod jest znacznie tańsze niż podwojenie mocy znamionowej transformatora (mierzonej w „Volt-Amps” lub VA).

RYSUNEK 5. Podejście z mostkiem prostowniczym (góra) zapewnia pełne wykorzystanie mocy transformatora i prostowanie pełnookresowe. Dodatkowo zmieniając masę odniesienia (na dole) można uzyskać zasilanie dwunapięciowe.

---

Jedyną wadą tego projektu jest to, że moc musi przechodzić przez dwie diody, co powoduje spadek napięcia 1.4 V zamiast 0.7 V dla innych konstrukcji. Ogólnie dotyczy to tylko zasilaczy niskonapięciowych, w których dodatkowe 0.7 wolta stanowi znaczną część mocy wyjściowej. (W takich przypadkach zwykle stosuje się zasilacz impulsowy, a nie jeden z powyższych obwodów).

Ponieważ w każdym półcyklu używane są dwie diody, każda z nich widzi tylko połowę napięcia transformatora. To sprawia, że ​​PIV jest równe szczytowemu napięciu wejściowemu lub 1.414-krotności napięcia transformatora, co jest takie samo jak w powyższym obwodzie pełnookresowym.

Bardzo fajną cechą prostownika mostkowego jest to, że odniesienie masy można zmienić, aby wytworzyć dodatnie i ujemne napięcie wyjściowe. Jest to pokazane na dole rysunku 5.

FILTRACJA

Prawie całe filtrowanie zasilacza analogowego pochodzi z kondensatora filtrującego. Możliwe jest szeregowe zastosowanie cewki indukcyjnej z wyjściem, ale przy 60 Hz cewki te muszą być dość duże i drogie. Czasami są używane do zasilaczy wysokiego napięcia, gdzie odpowiednie kondensatory są drogie.

Wzór na obliczenie kondensatora filtra (C) jest dość prosty, ale musisz znać dopuszczalne napięcie tętnienia międzyszczytowego (V), czas półokresu (T) i pobierany prąd (I). Wzór to C=I*T/V, gdzie C jest w mikrofaradach, I w miliamperach, T w milisekundach, a V w woltach. Czas półcyklu dla 60 Hz wynosi 8.3 milisekundy (patrz: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Ze wzoru jasno wynika, że ​​wymagania dotyczące filtrowania są zwiększone dla zasilaczy wysokoprądowych i/lub o niskim tętnieniu, ale to tylko zdrowy rozsądek. Łatwym do zapamiętania przykładem jest to, że 3,000 mikrofaradów na amper prądu zapewni tętnienie około trzech woltów. Możesz użyć różnych wskaźników z tego przykładu, aby dość szybko przedstawić rozsądne szacunki tego, czego potrzebujesz.

Jedną z ważnych kwestii jest wzrost prądu przy włączaniu. Kondensatory filtrujące działają jak martwe zwarcia, dopóki nie zostaną naładowane. Im większe kondensatory, tym większy będzie ten wzrost. Im większy transformator, tym większy będzie przepięcie. W przypadku większości analogowych zasilaczy niskiego napięcia (<50 V) rezystancja uzwojenia transformatora jest nieco pomocna. Transformator 25.2 V/dwa A ma zmierzoną rezystancję wtórną 0.6 oma. Ogranicza to maksymalny rozruch do 42 amperów. Dodatkowo indukcyjność transformatora nieco to zmniejsza. Jednak nadal istnieje duży potencjalny wzrost prądu podczas włączania.

Dobrą wiadomością jest to, że nowoczesne prostowniki krzemowe często mają ogromne możliwości w zakresie prądu udarowego. Standardowa rodzina diod 1N400x jest zwykle określana na 30 amperów prądu udarowego. W obwodzie mostkowym są to dwie diody, więc najgorszy przypadek to 21 amperów każda, czyli poniżej specyfikacji 30 amperów (przy założeniu równego podziału prądu, co nie zawsze ma miejsce). To jest skrajny przykład. Na ogół stosuje się współczynnik około 10 zamiast 21.

Niemniej jednak ten obecny wzrost nie jest czymś, co należy ignorować. Wydanie kilku centów więcej na użycie mostka trzyamperowego zamiast jednoamperowego może być dobrze wydane.

PRAKTYCZNY PROJEKT

Możemy teraz zastosować te reguły i zasady i zacząć projektować podstawowy zasilacz. Jako rdzeń projektu użyjemy transformatora 25.2 V. Rysunek 6 można postrzegać jako złożenie poprzednich rysunków, ale z dodanymi wartościami części praktycznych. Druga lampka kontrolna w wtórnym wskazuje jego stan. Pokazuje również, czy kondensator jest naładowany. Przy tak dużej wartości jest to ważny aspekt bezpieczeństwa. (Zauważ, że ponieważ jest to sygnał DC, dioda napięcia wstecznego 1N4004 nie jest potrzebna.)

RYSUNEK 6. Ostateczny projekt zasilacza z praktycznymi specyfikacjami części. Regulacja mocy została omówiona w następnym artykule.

---

Tańsze może być użycie dwóch mniejszych kondensatorów równolegle niż jednego dużego. Napięcie robocze kondensatora musi wynosić co najmniej 63 wolty; 50 woltów nie jest wystarczającym marginesem dla szczytu 40 woltów. Jednostka 50 V zapewnia tylko 25% marginesu. Może to być dobre w przypadku aplikacji niekrytycznych, ale jeśli kondensator tutaj ulegnie awarii, wyniki mogą być katastrofalne. Kondensator 63 V zapewnia około 60% marginesu, podczas gdy urządzenie 100 V zapewnia margines 150%. W przypadku zasilaczy ogólna zasada wynosi od 50% do 100% marginesu dla prostowników i kondensatorów. (Tętnienie powinno wynosić około dwóch woltów, jak pokazano.)

Mostek prostowniczy musi być w stanie poradzić sobie z wysokim początkowym skokiem prądu, więc warto wydać dodatkowy grosz lub dwa na poprawę niezawodności. Zwróć uwagę, że most jest określony przez to, co transformator może dostarczyć, a nie przez to, do czego ostatecznie jest określony zasilacz. Odbywa się to w przypadku zwarcia wyjścia. W takim przypadku przez diody będzie przepuszczany pełny prąd transformatora. Pamiętaj, awaria zasilania to zła rzecz. Więc zaprojektuj go tak, aby był solidny.

WNIOSEK

Szczegóły są ważnym czynnikiem przy projektowaniu zasilacza. Zauważenie różnicy między napięciem skutecznym a napięciem szczytowym ma kluczowe znaczenie przy określaniu prawidłowych napięć roboczych dla zasilania. Ponadto początkowy prąd udarowy jest czymś, czego nie można zignorować.

W części 2 zakończymy ten projekt, dodając regulator z trzema zaciskami. Zaprojektujemy uniwersalny zasilacz z ograniczonym prądem i regulowanym napięciem ze zdalnym wyłączaniem. Dodatkowo zasady zastosowane w tym projekcie można zastosować do dowolnego projektu zasilacza. 

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów